复合射孔气液作用后气体上移运动规律实验研究

赵旭,丁士东,周仕明

(1.中国石化石油勘探开发研究院博士后工作站,北京100083;2.中国石油大学,北京102249; 3.中国石化石油工程技术研究院,北京100101)

复合射孔气液作用后气体上移运动规律实验研究

赵旭1,2,3,丁士东3,周仕明3

(1.中国石化石油勘探开发研究院博士后工作站,北京100083;2.中国石油大学,北京102249; 3.中国石化石油工程技术研究院,北京100101)

利用复合射孔压井液运动相似模拟实验装置,研究了复合射孔过程中气液作用结束后气柱在压井液中的上移运动规律。观测了复合射孔过程中气液冲击作用结束后气体在模拟井筒的上移运动过程,考察了不同气体压力、不同气体体积作用下的气液作用结束后气体在液柱中的上移运动状态及变化规律。分析了实测的气体上移运动速度变化曲线。作用的气体压力越大、作用的气体的量越多,气泡的上移速度就越快。此外井筒内液柱的波动对气体的上移运动速度有增大作用。通过与Taylo r模型的计算结果对比,结合油田实际状况,得出目前大部分油田现场复合射孔施工后,井底的高能气体均是以Taylor泡的形式在压井液中向上运动。实验结果对深入研究复合射孔气液作用结束后气体上移运动机理有一定的指导意义。

复合射孔;压井液;气液作用;爆生气体;实验研究

0 引 言

复合射孔技术[1-6]在国内外已经得到了广泛应用。在有些复合射孔的压裂火药设计中,为了延长高能气体压裂药剂在地层的作用时间,必然要加大装药量或是加入延迟剂,因此在反应过程中产生了大量的CO气体。近几年,中国一些低渗透油田在应用高能气体压裂的过程中出现了频繁的CO气体中毒事件,给油田及员工带来极大的损失[7-8]。因此,对复合射孔过程中产生的高能气体在井筒中的流动规律进行全方位的监测以及深入细致的研究非常必要。

1 实验装置与方法

1.1 实验装置

实验在复合射孔压井液运动模拟实验装置[9]上进行。实验装置如图1所示。

图1 实验系统装置示意图

1.2 实验方法和实验参数

底部高压气体冲击上部压井液的实验现象共分3个阶段[10],分别是气体冲击阶段、压井液波动阶段、气柱上移阶段。在大多数的情况下,气液作用结束后底部作用的高压气体会形成一个大气柱向上运动。即使在增加底部高压气体压力和作用的高压气体的体积实验时,由于作用层位形状的不规则,有可能由底部瞬时冲出多个气段,但这些气段在上移的过程中,由于底部压井液体的波动作用,进而又很快地合成一个大气柱进行上移。因此,为了研究气柱的上移规律,在实验装置模拟管道的观察段上设置4个观测计时点,用以测量气柱运行2个计时点间距离所需的时间及观测气柱在上移过程中的实验现象,每2个计时点之间的距离为2 m,进而计算出气柱在2个计时点间运动的平均速度。实验中,底部作用高压气体压力、底部作用高压气体的体积、模拟井筒内的压井液高度分别对应着模拟复合射孔过程中的爆生气体压力、火药量的大小和井筒内的压井液。根据实验装置的特点和此次实验的要求选取的实验参数见表1。

表1 实验相关参数

2 实验结果

图2为压井液高度为11 m、作用气体体积为30 m L的条件下,改变作用的高压气体压力实验时气液作用后所形成的大气柱向上运移速度的关系曲线图。由图2可见,3条曲线都比较平稳,底部高压气体压力为1、2、3 M Pa的实验中的气柱上升速度均有一定的上升,但变化不大。结合观测到的实验现象能够得到:1 M Pa高压气体的实验,气柱的上移速度均为0.2 m/s左右,而气柱的长度约为20 cm,液柱中清晰明了;2 M Pa高压气体的实验,气柱的上移速度均为0.21 m/s左右,而气柱的长度约为45 cm,液柱中清晰明了;3 M Pa高压气体的实验,气柱的上移速度均为0.218 m/s左右,而气柱的长度约为45 cm,气柱上升时液柱中仍然是清晰明了。可以得出结论,在压井液柱中没有明显干扰的情况下,气柱越长其上升速度就越快,由于底部作用的气体压力越高,气液作用结束后形成的气柱就越长,故作用的气体压力为1 M Pa的实验气柱上升最慢,作用的气体压力为3 M Pa的实验气柱上升最快。为了进一步研究不同的底部作用气体体积的实验条件下气柱的上移速度,将与图2中对应的实验参数单独改变作用气体的体积进行实验,所测得的气柱的上升速度见图3至图5。

图2 气泡运移速度随计时点位置变化关系图A

图3 气泡运移速度随计时点位置变化关系图B

图4 气泡运移速度随计时点位置变化关系图C

结合图2可以看出,随着作用的气体体积的增加,气液作用后形成的气柱的长度也增加,无论是作用的高压气体压力是1、2、3 M Pa的实验,气柱的运动速度都有了明显的增加。气柱在上移的过程中底部气体压力为1 M Pa实验的速度增加的不十分明显,相对而言增加最少。而3 M Pa实验的气柱在上移的过程中速度增加最快。由图5可以得到3 M Pa实验的气柱最快上移速度已达到了0.272 m/s。这也说明了1 M Pa的实验形成的气柱很小,气柱在上移的过程中上覆压力的减少对其影响不大;而3 M Pa的实验形成的气柱较大,自身的所受浮力也较大,上覆压力的减少,促使其运移速度快速的提升。实验中也观测到当用底部气体压力为3 M Pa,压井液高度为11 m,作用的气体体积为70 m L的参数实验时,气液作用结束后形成的气柱长约2 m。而且当作用的高压气体压力较高,作用气体体积较大或是压井液的高度过低时,在气液作用结束后压井液中有较大幅度的压力波动。这些波动会对气柱的上移产生一定影响,从实验所测得的结果看,这些波动会促使气柱在上移过程中速度进一步加快。从图4和图5中能看到,当2 M Pa和3 M Pa的实验在计时观测点1和计时观测点2测得的气柱运移速度的变化有些混乱,这是由于计时观测点1和计时观测点2距离模拟管道的底部相对较近,当用较高的气体压力或是压力较高的气体体积作用时,由于底部作用的高压气体的能量较大,因此在实验中其气液作用的影响范围较大,作用的时间较长,进而影响了气柱在这2个计时观测点的运移速度,实验中也观察到当底部气体压力为2 M Pa和3 M Pa,作用的气体的体积在60 m L和70 m L时,模拟管内气液现象混杂,没有明显的气液界面,上部压井液柱出现明显的气液波动现象。为了更准确地分析气柱在上升中速度的变化规律,单独改变底部作用气体的体积,来对比分析在不同气体压力的作用下气柱在第4计时点的速度差异(见图6)。

图5 气泡运移速度随计时点位置变化关系图D

图6 气泡运移速度随底部作用压力变化关系图

图6显示的是当压井液高度为10 m,作用的高压气体体积分别为30、60、90 m L时,在第4个计时观测点所测出的伴随底部作用气体压力增加的气柱向上运移速度的变化曲线。由图6可见,随着作用的高压气体体积增加,在不同的底部气体压力作用下测得的气柱运移速度均有一定提升。但随着作用的气体体积增加,在不同压力的底部高压气体的作用下的气柱运移速度的提升幅度差距较大。当底部作用的高压气体的压力相对较低时,提升作用的气体体积对气液作用结束后形成的气柱的上移运动速度影响不太明显,但随着底部作用的高压气体的压力提升,模拟管道底部作用的高压气体的体积对气液作用结束后形成的气柱的上移运动速度的影响就越来越大。由图6中可以明显看到,当用1 M Pa的底部气体压力作用时,随着作用气体体积的增加,气液作用结束后,形成的气柱的上移速度相差不大。而用4 M Pa的底部气体压力作用时,随着作用气体体积的增加,气液作用结束后,形成的气柱的上移速度相差较大。这是因为当用较高压力的气体实验时,气液作用结束后由于气体压力大幅度降低,气体体积迅速增大,形成的气柱也就较长,进而其上升的速度也就越快,而用低压的气体实验时,气液作用结束后形成的气柱较短,上移的速度相对较低。图6中用4 M Pa的底部高压气体、压井液高度为10 m、作用的高压气体体积为100 m L时的参数实验时,通过观察,其气液作用后形成的大气柱约为4.2 m。从图6中可看出大气柱在第4计时点所测出的气柱上升速度为0.372 m/s。

通过上面的分析,结合油田现场复合射孔工作实际能够得出,在复合射孔过程中,当爆生气体的爆压相对较低且使用的压裂火药量较少,或是压井液的高度较高时,复合射孔气液作用结束后形成的气柱较短,在向上运动的过程中运动速度相对稳定,也不会引起压井液柱的较大的波动。而当爆生气体的爆压较高且使用的压裂火药量较多,或是压井液的高度较低时,复合射孔气液作用结束后生成的气体的量会极大增加,会在向上运动中形成大的气柱。压井液会存在明显的上下波动,而且气柱在上移的过程中速度会明显加快,且体积不断膨胀,最终以大气段的形式排出井外。

3 实验结果分析

在气液作用结束后,模拟管道底部的气体是以一个大气段形式上升。如果作用的气体压力高,或是作用的气体体积较大,形成的大气段就较长,反之较短。在气液作用结束后,当气柱的长度较短时,气柱在上升的过程中速度的提升变化不大,而随着气柱的长度的增加,气柱在上升的过程中速度的提升越来越大。由于气液作用结束后形成的气柱的向上运移过程与段塞流的流动形式比较相似。

在气液两相流的研究中,通常把弹状流与段塞流气体上升速度模型看作有同样的表达式,弹状流是以气弹为特征的。气弹的尺寸很大,其直径几乎等于管子的直径,周围有一层薄薄的缓慢向下流动的液膜。气弹又称 Taylor泡。段塞流是以液塞为特征的,其英文为Slug。在两相流理论中,Slug是指液体。而在井控理论中,Slug是指气体。正是气液概念的颠倒,致使气柱失去了两相流理论中的特征。Weisman等将弹状流与段塞流统称为间断状流,这种工况下改变气体上升速度主要是研究Taylo r泡的上升速度。Taylo r泡在静液相中的上升速度[11-12]对于直径较大(D>10 mm)的管子速度为

式中,K依不同研究可以取0.328、0.345、0.35等; D为管子内径,m;g为重力加速度,m/s2。

根据式(1),在实验所用装置的条件下,可求出单个气柱在静液相中的上升速度为

或是当 K=0.35时

实验中底部气体压力为1 M Pa,压井液高度为11 m,作用的气体体积为30 m L的实验,气液作用后所测出的气柱上升速度(0.20 m/s)与上面的计算结果相近。增加气体压力或气体的作用体积的实验后形成气柱的上移速度都要大于 Taylor泡在静液相中的上升速度。但考虑到实验中由于实验条件的限制,与油田现场实际复合射孔的施工条件有一定的差距。实验中尽管采用了11 m高的模拟管道,但11 m高压井液经相似原理所计算出的模拟压井液高度仍然要远低于实际复合射孔过程中所到的压井液的高度。目前油田现场应用复合射孔技术中用到的压裂火药量相对较少,在复合射孔过程中很难在整个压井液中引起强烈并持久的波动,复合射孔气液作用结束后形成的气柱很有可能以 Taylor泡的形式在压井液中向上运动。只有在压裂火药量较大时,或者压井液的高度过低时,在气液作用后形成的气柱较大,在气柱向上运动的过程中随着压井液上覆的压力减小,其运移的速度会加快,相应的气柱也会进一步增大。根据井筒中气液两相流理论,如压井液的高度足够高,那么完整的大气柱在增大到一定程度时有可能发生断裂,以多个气段的形式排出井外。

4 结 论

(1)通过实验,模拟了复合射孔过程中射孔压裂作用结束后爆生气体在井筒中的上移运动情况。

(2)增大作用的气体压力和增大作用的气体体积均会对气液作用结束后的气体在液柱中的上移运动规律产生影响,作用的气体压力越大、作用的气体的量越多,气泡的上移运动速度就越快,此外液柱的波动对气体的上移运动速度有促进作用。

(3)通过与 Taylor泡理论模型的计算结果相对比,结合油田的实际状况,得出目前大部分的油田现场复合射孔施工后,井底的高能气体均是以Taylo r泡的形式在压井液中向上运动。

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Experimental Study on Gas M ovement M echan ism in Wellbore after Com pound Perforation

ZHAO Xu1,2,3,D ING Shidong3,ZHOU Shiming3
(1.Research Institute of Petroleum Exp loration&Development Postdocto ral Workstation,SINOPEC,Beijing 100083,China; 2.China University of Petroleum,Beijing 102249,China; 3.Research Institute of Petroleum Engineering,SINOPEC,Beijing 100101,China)

The similar control fluid movement stimulated experimental device is used to study the exp losive gas movement mechanism in the w ellbo re after compound perfo ration.The flow phenomenon of gasmovement is observed in the stimulated wellbore.The gas movement state and gasmovement rule at the different initial gas p ressures and different initial gas volumes are analyzed.The velocity curve of gas movement that w as measured is analyzed.The results indicate that,the higher initial gas p ressure,the more initial gas volume,and the faster gasmovement, after initial gas-liquid interaction.Mo reover,the function of liquid column is benefit to increase the velocity of gasmovement.Through contrasting the resultsw ith Taylo r fo rmation and experimental results,and also considering the compound perforation in the oilfield,it is concluded that the gasmovement in the wellbore is similar to the Taylor bubble after compound perforation in themost part of compound perforations in the oilfield.The experimental results have directive significance in studying gasmovement mechanism in the w ellbo re after compound perfo ration.

compound perfo ration,control fluid,gas-liquid interaction,exp losive gas,experimental study

TE257.1 文献标识码:A

中国石油科技创新基金研究项目“复合射孔井下压力变化与裂缝扩展机理研究(2009D-5006-03-09)”资助

赵旭,男,1981年生,在站博士后,主要从事完井工程技术相关方面的研究。

2010-12-17 本文编辑 王小宁)